基于其他二维材料的光电探测器

基于其他二维材料的光电探测器

正是由于石墨烯的出现，其他的2维材料才重获新生。这里还有数百种层状材料，能在单层状态下保持稳定，其性能对于石墨烯是一定的补充。过渡金属氧化物（TMOs）和过渡族金属二硫属化物（TMDs）都有层状的结构。

Mo光电探测器

大多数TMDs的性能已被研究过许多年，而生产二维薄膜的追求开始于Frindt 与Yoffe在1963年的开创性工作。自从1980年代单层Mo的结构和光学性能就已被探究过的。

（a）（b）

图3.1 （a）2维晶体的能带图，其考虑了到小的肖特基势垒和偏压；（b）光电导探测器的

能带图，其考虑到了空穴陷阱

Mo有一个很大的1.3eV间接带隙，这在1维的Mo中却变成了一个1.8eV直接带隙[77,78]。这改变了其光学性能，例如其吸收光谱和光致发光的特性。[77]中，与大块的Mo相比，1维Mo的发冷光量子区域有1000倍的增强。在1维Mo中光抽运控制的谷极化已被验证过，其极化过程持续时间超过了1ns。

与典型的直接带隙的半导体相比，TMDs可以具有额外的光电优势，这是因为它的机械柔韧性和简单的加工过程。大多的基于TMD s的光电探测器工作在偏压下，像一个光电二极管或者光电导体（如图3.1（a）（b））一样。举个例子，光电导的1维Mo探测器被发现有880A 的光响应频率（[80]；图3.2（b）（d）)，但是有一个长的响应时间（约9s），还有GeTe探测器被报道有

= A 和6ms的响应时间。此外，通过变换层数来调整能隙的能力可允许对不同波长的光的探测。这些器件的局限性——很大的暗电流和低于1Hz的响应频率——被通过运用在1维W下可实现一个光电二极管的pn结的分离门电极解决了。基于其他众多层状材料的光电材料，包括Mo

（=0.57A ），GaSe(=2.8A ),GaS(=19A ), (=3.95A ),黑磷和W(=22μA )，它们都应经被报道过。在金属-TMD结上的强PTE效应可以用于产生热能的应用上。

（a）（b）

（c）（d）

图3.2（a）SLG/ W/SLG半导体异质结器件的示意图；（b）一维Mo光电探测器示意图；

（c）SLG/ W/SLG半导体异质结器件在不同门电压下的I-V关系曲线；（d）有无光照下Mo 光电探测器光响应频率（（a）、（c）引自[79]，（b）、（d）引自[80]）

一个通过把Mo与石墨烯结合起来的新颖混合器件已被验证，其中Mo层提供可见光的吸收和载流子的俘获，其室温下约为5 A ，其QE约为32%。其速度被限制在约1Hz，这是由于约1s

的俘获寿命。一种包含了一对被一窄隧道结分离的堆叠的SLG相关的器件，其显示了很强的通道电导率的光选性和宽频带之外的（可见光到MIR）光响应特性（＞1A ，在MIR中）。新晶体管基于被六方氮化硼分隔的两层石墨烯电极之间垂直输送的机制上，Mo或W层都已被报道（如图3.2（a）（b））。同样的混合器件显示出潜在的光电探测器的性能（约为0.1A ，EQE约为30%）。在这些器件当中，石墨烯层被用来当做功函数可调的电极，而强光相互作用和光子俘获的TMD被用作光敏材料。

SnS纳米带探测器

SnS可固体化、薄膜化、廉价、无毒、有很好的环境相容性，因此成为太阳能电池吸收层材料的最佳选择[81-89]。

图3.3 （a）SnS光电探测器的结构示意图，插图是SnS纳米带的SEM；（b）SnS纳米带中的光生载流子产生；（c）在有/无光照情况下的电流密度-电压曲线；（d）SnS纳米带和颗粒在瞬态光照下的电流密度随时间的变化曲线（引自[90]）

SnS纳米薄膜的载流子浓度约为-，电导率较低为–s ，载流子迁移率较低约为10-。

陈等人通过多元醇回流作用合成的硫化锡（SnS）纳米带，具有10-20纳米的

厚度和几个微米的长度，通过把SnS纳米带组装成光电传导器件测试了纳米带的光电导性能，如图3.3（a）（b）。在AM 1.5 G 光照下发现其具有出色的光敏性，快速的响应和恢复时间的特点，和稳定的开/关循环性能，计算发现平均光电流密度约87 A ，光响应度约为0.87 mA ，图3.3（c）（d）。

表性能常数

参考描述响应度探测器类

型带宽波长IQE

（%）

EQE

（%）

18,19 石墨烯-金

属结 6.1mA 光电流

（PV/PTE）

>40GHz 可见光，近

红外

10 0.5

30,37, 52 石墨烯p-n

结10m A

光电流（PTE）可见光35 2.5

20-22 集成波导管

石墨烯0.13 A 光电流

（PV/PTE）

>20GHz 1.3-2.75μm10 10

90 石墨烯-硅

异质结0.435A 肖特基光电二

极管

1kHz 0.2-1μm65

31 室温偏压下

的石墨烯0.2m A 测辐射热可见光，红

外

94 低温下双通

道双层石墨烯V

测辐射热>1GHz 10μm

105 混合石墨烯

-量子点 A

光电晶体管100Hz 0.3-2μm50 25

63 有THz触角

的石墨烯 1.2V 过阻尼等离子

体波

1,000μm

120 有交叉触角

的石墨烯5n A 光伏和光诱导

光电二极管i

20GHz 2.5THz

147,14 8 石墨烯

-TMD-石墨

烯异质结构

0.1 A

垂直光电二极

管

<650nm 30

130 偏压下的

Mo 880 A

光电导体0.1Hz <700nm

143 石墨烯双层

异质结构>1 A

光电晶体管1Hz 0.5-3.2μm

7,8,13

4 W p-n结16m A p-n光电晶体

管

<750nm 60 3

136 GaS纳米带

19.1 A

光电导体>10Hz 0.25-0.5μm